国家电网STATEGRID中国电力科学研究院有限公司沙戈荒新能源基地运行面临的挑战及研究进展王伟胜总工程师/教高中国电力科学研究院有限公司2023年10月济南 沙戈荒新能源基地运行挑战C主要高效消纳技术研究进展内容稳定运行技术研究进展四结语 》一、沙戈荒新能源基地运行挑战口《“十四五”可再生能源发展规划》提出沙戈荒地区风光基地化规模化开发、中东南部分布式就近开发、东部沿海海上风电集群开发的发展模式口2022年3月，国家发展改革委、国家能源局发布《以沙漠、戈壁、荒漠地区为重点的大型风电光伏基地规划布局方案》，要求到2030年，规划建设大型风光基地总装机达4.55亿千瓦口截至今年4月，第一批9705万千瓦基地项目已全面开工，项目并网工作积极推进，力争于今年年底前全部建成井网投产，第二批基地项目陆续开工建设，第三批基地项目清单已印发实施宁夏腾格里沙漠“沙戈荒”新能源基地蒙西库布其沙漠光伏治沙项目施工现场 》一、沙戈荒新能源基地运行挑战挑战一：高效消纳与可靠供电问题口沙戈荒新能源基地以特高压直流外送为主要消纳形式，受高比例新能源出力随机波动性强、灵活调节资源不足等因素影响，新能源与直流通道利用率难以得到保障，需要从资源特性出发，考虑消纳、经济、安全多约束，开展沙戈荒新能源基地风光配比和调节资源的协调优化配置。资源源直流利用小时数≥4500h储风电互补光伏?新能源利用利用率≥95%·风光出力豆补，储能类型出力序列构建·基地最大出力≥0.8p.u.储能装机荷容量新能源消纳直流运行方式建设成本调节资源特性4调节资源直燃摄电源规模光伏装机荷风电装机流容量重流调节频次受端电网调峰需求直流爬坡能力本地负需求 》一、沙戈荒新能源基地运行挑战挑战二：送端集中式大基地系统安全稳定问题口随着高比例新能源接入系统，送端电网同步特性持续弱化，局部地区短路比降低，新能源并网存在宽频振荡及暂态过电压等安全稳定问题，导致新能源脱网、设备损坏、弃风弃光增加等严重后果，影响了新能源的跨区送出与消纳河北沽源风电经广东南澳风电经张北新能源经柔张北新能源经柔直德国北海风电经串补送出系统柔直送出系统直送出系统送出系统桑直送出系统1.3(4-9Hz)(30Hz)(4456Hz)(58Hz)(250~350Hz)1.21.1 OHz 10HzV0-Hz10Hz10'Hz0.80.7美国明尼苏达风电美国德州风电经上海南汇风电经新疆哈密风电经交张北新能源经张北新能原经0.8经串补送出系统串补送出系统柔直送出系统流电网送出系统柔直送出系统柔南送出系统0.5(10-13H2)(20Hz)(20-30Hz)(25/75H2)(650-900Hz)(3410-4250H2)040.10.20.30.40.50.70.80.9送端系统宽频振荡问题送端系统暂态过电压问题 沙戈荒新能源基地运行挑战C主要高效消纳技术研究进展内容稳定运行技术研究进展四结语 》二、高效消纳技术研究进展1.资源精细化评估口采用物理与统计相结合的资源模拟方法。模拟了历史30余年的风速、辐照强度网格化数据，考虑士地属性、资源储量、地形地貌等因素，评估了沙戈荒地区的风光资源技术可开发量海温资料-F(Xaeo地形资料F演式再分析资租观测资书松地系数WRF-CFDDA模式_(H, +2H, +H,)(H, +28, +H,)8D,_ (H, +2H, +H,)(H, +2R, +H,)8D统计分析RTENTE18YEEBPE风能/太阳能资源分布太阳能资源技术可开发区域风能资源技术可开发区域风光资源模拟及可开发性分析西北风光资源技术可开发情况评估结果 》二、高效消纳技术研究进展2.新能源资源特性挖掘口基于风光资源网格化模拟数据集，构建了风光资源空间互补特性挖掘模型，优化新能源开发布局方案在降低新能源开发成本和特高压外送工程建设成本的同时，提升新能源调控运行友好性甘肃1200新能系-1741万风电-541万1000光伏-1200万缆路限生老院+新熊源800万千瓦60020006:0009:0012:0015:0018:0021:0000:0003:0006:0009:00不同区域风电出力典型曲线最佳互补方案下的新能源典型出力曲线 》二、高效消纳技术研究进展3.新能源基地电源规划口建立了基于8760h时序生产模拟的新能源基地电源优化配置模型，以发电清洁性或投资经济性为优化目标，考虑风/光资源特性、新能源电量占比与利用率约束、各类电源与储能调节约束、直流利用小时数与运行约束、受端电网调峰与供电需求等，实现风/光配比与储能容量的合理优化配置边界条件全年8760h序列新能源基地规划计算模型输出结果风电新能源发电量最大风光容量配比不同目标储能配置容量计划外送，投资成本最小场景已有带规电源装机通道直流送电曲线光伏多类型电源系统运行约束：直流容量、直流调节频次、直流爬坡能力、直流利用小时约束曼端负荷电源运行约束：常规电源运行、储能运行约束发电清洁性约束：新能源发电量占比、新能源利用率新能源出力约束风、光、水、火、储等电源 》二、高效消纳技术研究进展4.规划工具研发口基于“新能源电力系统生产模拟平台”研发了新能源电力系统规划软件，具备新能源与常规电源、储能/火电灵活性改造/可调节负荷等灵活调节资源容量协调优化配置功能，可为政府能源主管部门、各级电网公司、发电集团、电力设计院等提供工具和技术支撑政府能源新能源电力系统规划与配置软件主管部门电网公司新能源发展规划新能源消纳能力评估新型储能发展规划系统运行方式优化相关政策制定新能漂井网时序优化电力市场规划电力保供分析夫介发电集团电力设计院新能源开发建设项目可研设计新型循能开发建设项目技术咨询多能互补基地规划建设科学技术研究新能源电力系统规划软件 》二、高效消纳技术研究进展案例验证1—一送受端互联电网案例口针对通过特高压直流互联的送-受端电网开展仿真分析，考虑新能源外送电量占比约束与直流运行等约束，以新能源与储能总投资成本最小为目标，对送端新能源与储能容量进行优化配置。案例基本参数负荷用电量最大负荷1304亿kWh2263万kW直流装机容量火电装机2300万kW常规电源及资源参联络线风电资源小时数光伏资源小时数数新能源新能源负荷2261h1422h容量特高压直流最低利用小时数储能1600万kW6500电源成本价格送端受端风电装机成本新能源6000元/kW成本参数光伏装机成本4500元/kW储能逆变器成本500元/kW电池容量成本2000元/kWh案例场景新能源发电量占比送-受端互联电网示意图电量占比场景一25%场景设置场景二50% 》二、高效消纳技术研究进展案例验证1一送受端互联电网案例（续1）口在不配置储能时，为满足直流外送最低6500h、新能源外送电量25%和50%约束，新能源装机占比需达到42%和66%，利用率分别为89.2%和77.3%口通过配置储能回收新能源弃电，并优化新能源装机，与不配置储能相比，可分别提升新能源利用率6.5和7.6个百分点，节约总投资成本3%和7%新能源与储能容量优化配置结果新能源电量新能源利用率新能源装机新能源装机占储能装机储能容量储能时长新能源与储能占比场景/%/万kW比/%/万kW/万kWh/h投资成本/亿元不含储能89.2165142///98025%含储能95.71500381445824950不含储能77.3452166//249350%含储能84.938395937617484.62327 》二、高效消纳技术研究进展案例验证1—送受端互联电网案例（续2）口测算了不同储能单位容量成本下储能配置的变化情况，随着储能成本的降低，配置的储能容量和时长不断增加，在新能源外送电量占比25%情况下储能时长最大约7h，在电量占比50%场景下储能时长最大约10h。250081000012储能总容量老能时长7储能总容量储能时长20006.8800010697储能容量/万kWh5.7储能容量/万kWh7.68150060002351100022162146400090122540528582.34119425001.30002427412.2582226002002242404008001200200020022424040080012002000储能单位容量成本（元/kWh）储能单位容量成本（元/kWh）新能源外送电量占比25%下储能配置情况新能源外送电量占比50%下储能配置情况 》二、高效消纳技术研究进展案例验证1一送受端互联电网案例（续3）口储能在新能源大发时段充电，有效消纳了弃电，在新能源出力较低时段放电，满足用电需求，口由于新能源装机占比较高，沙戈荒基地出力随机波动性强，直流调节次数较为频繁，全年日平均调节次数4.2次，并且每日直流送电曲线具有较为明显的差异性。250002000015000功率/MW1000050000-5000-10000送端常规电源送端新能源一直流联络线功率一送端储能功率送端连续七日的发电运行曲线 》二、高效消纳技术研究进展案例验证2—100%新能源外送基地案例口针对某100%新能源外送基地，给定不同的风光储容量配置方案，考虑外送通道年利用小时数和受端电网最低供电能力约束（晚峰19-21点最低400万kW），以基地全年晚峰时段供电缺口最小为目标优化电源运行，分析其供电支撑能力，案例基本参数及结果主要结论：无储能场有储能场景在不配置储能时，基地全年晚峰供电不足时段场景1场景2场景3风电装机（万kW）1000100010001000249h;光伏装机（万kW）800800800800通过配置储能可以有效提高晚峰供电能力，配储能装机（万kW）/400400400储能容量（万kWh）/80010001200置400万kW*2h和2.5h储能后供电不足时段数储能时长（h)22.5降至104h和59h外送通道容量（万kW）800800800800外送通道年利用小时数（h）4500450045004500由于新能源晚峰供电能力不足，为完全消除供新能源利用率（%）83.386.786.987.2电缺口，至少需要配置400万kW*3h的储能全年晚峰供电不足小时（h）249104590 》二、高效消纳技术研究进展案例验证2一一100%新能源外送基地案例（续）口当配置400万kW*2h储能时，全年最大供电缺口400万kW，平均供电缺口233万kW，配置400万kW*2.5h储能时，最大供电缺口降至200万kW，平均供电缺口降至126万kW口储能在午间新能源大发时充电，消纳新能源弃电，在晚高峰无光时段放电满足供电需求，光伏风电能放电弃电献口一储能充电一外送功率18储能2.5h10000外送通道达上限储能2h15无储能8000产生弃电6000晚高峰供电缺口(MW)4000200020005001000150020002500300035004000供电缺口（M）-4000储能充电消纳弃电配置2h和2.5h储能场景全年供电缺口分布情况配置2.5h储能场景下某日发电运行情况 沙戈荒新能源基地运行挑战C主要高效消纳技术研究进展内容稳定运行技术研究进展四结语 》三、稳定运行技术研究进展问题认识：宽频振荡口与常规同步电源相比，新能源发电通过电力电子装置并网，并网特性涉及到多个控制环路协调配合，控制带宽横跨5个数量级，呈现宽频特征口依据决定每个频段阻抗特性的主导因素，将振荡频率范围划分为频段、频段、频段川III：发现不同控制环节重叠效应引发新能源机组端口阻抗呈现负阻尼特性直流电压时锁相环电流环LC滤波200负阻尼频段频段频段I相位(Deg)100-100负阻尼-200101001000频率(Hz) 》三、稳定运行技术研究进展问题认识：暂态过电压口新能源机组控制策略对暂态过电压具有显著影响；口双高电力系统稳态和暂态特性强耦合，宽频振荡演变成暂态过电压，导致新能源机组连锁脱网35VRMS电压A相-620VRMS电压A相现场试验(na)12-0.8控制在环8.820ms20ms0.60.484(nd) savod0.2288.8289.289.62904.85.25.415.65.